专利名称：字轮码盘光电数字智能传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种对已被计量仪表中的字轮式机械计数器非电量显示的数据进行电量数字化转换的装置。
本实用新型从属的技术领域包括1．机械传动同步进位字轮计数技术；2．码盘光电数字转换技术；3．微控制器智能控制和通信技术。
本实用新型可广泛用于各类计量仪表中，尤其适用于各类非电量直接量纲传递计量的仪表中。
目前用于计量仪表如水表、电度表、燃气表中的传感器，基本属于物理瞬时值转换并以电量的形式表示，以便于量值的传递，变换存贮和计算，如若进行计量，则需以串行的低速脉冲进行长期不间断的监测和累积计算，从某种意义上讲计算机和计量仪表在工作任务上有很多重复的地方。
由于许多学科的专业工作者未能深入了解计量学的特殊性，以为用高新技术可以任意替代传统的计量仪表，忽略了计量的法制性，量传、溯源性和强制周期检定的特性。大量的工作用在以计算机技术为主体技术的模拟和替代计量仪表上，只利用了原有仪表的一次传感器，没有利用原仪表的累计功能，从而使附加的电子线路要求长年累月地稳定可靠地工作，进而对功耗，掉电保护数据和续电工作以及可维护性，成本等方面提出了严格的要求。
随着技术的发展，计量和管理需要在物理层对不同类型量纲统一变换为电量，根据这种要求，将电量或非电量计量已经产生的字轮视觉数值用机械、光电、微控制器技术直接读出。使计算机模拟计量仪表的过程变成模拟人工查表的过程，使在线实时控制过程变成脱机随机数据交换过程是本发明的关键目的。
本实用新型从应用角度讲，可以认为是计量仪表的二次传感器，它是利用成熟技术设计的。字轮显示技术是物理量经机械齿轮转换成位移及转角，以此表征量值的累积量的技术，利用红外发光二极管和光敏三极管进行转角和位移的数字量化是基于将字轮码盘化编码转换的技术，利用单片微控制器MCU进行智能化的光电扫描、数据转换、信息处理和通信。
本实用新型的目的是提供一种计量仪表的二次传感器，将累计的计量结果以随机查询，编码数据交换方式提供给计算机，改变系统的在线实时监控工作方式为脱机随机数据交换工作方式。
本实用新型由三个基本部分构成，机械部分；光电部分微控制器部分。
图1是机电装配关系主视图，(a)主视图，(b)俯视图，(c)A-A剖面图。
图2是字轮码盘图，图2(p)码盘正面图，图2(n)码盘背面图，图2(b)码盘B-B剖面图。
图3是编码和数值对应图，图3(a)码盘主视图，图3(b)码盘侧视图。
图4是4-8牙轮图，图4(a)主视图，图4(b)1-1剖面图。
图5是光电插件板图，图5(a)主视图，图5(b)板B面图，图5(c)板侧视图。
图6是总线式插件框插接关系图，图6(a)主视图，图6(b)侧视图。
图7是总线板示意图，图7(a)板A面图，图7(b)是板B面图。
图8是微控制器装置板示意图，图8(a)主视图，图8(b)侧视图。
图9是装置板支撑框架图，图9(a)主视图，图9(b)为B-B剖面图。
图10是系统电原理图。
图11足系统工作流程图。
图中1．字轮码盘，2.4-8牙轮，3光电板，4．光电插件总线框架，5．字轮计数器框架，6．装置板支撑框架，7．装置板，8．原仪表的底板，9．目视窗口，10．码盘透射光电孔，11．光电编码，12．红外发光二极管，13．光电三极管，14．光电总线板，15．通信T型插座，16．微控制器集成电路，17．驱动器集成电路。
本实用新型的目的是这样实现的每个字轮外缘的厚度减少，留出光电插件板的插入间隙，不小于0.5MM，齿的结构不变，字轮径向分成十个等分扇区并对应十个数字，每个扇区内加工出对应字符的光电码盘，为了便于机电配合，光电码盘加工成同轴弧形条状，见图11，由于在每位字轮之间插入光电插件板，图3和图5，改薄边缘的字轮码盘使用同步进位驱动齿轮4--8牙轮，图中2和图4，就可能啮合不到高位的字轮，故需将4--8牙轮的长齿和短齿在低位指向轴向加长，如首位不插光电板，则首位牙轮可不用此方式修正。加工字轮码盘和修正4--8牙轮是为了保证在每位间插入光电板时不增加接触或磨擦并能使拉开间隔的齿轮间正常啮合。
光电转换部分构造一个从字轮显示止面对接插入的光电插件框架，图中4和图6，插件前端舌形部位插入字轮码盘之间的空隙，图1插件板一面为1至2支红外发光二极管，另一面为4支光电三极管，图5中12,13对准字轮码盘的4道透射光电孔，配合尺寸保证不影响机械部分的正常工作。首位插件和末位插件只有一个元件面，插件框插入插件的部位为总线结构，图6中14，向微控制器引出也是总线结构，图7中黑色为插接焊盘与图8中黑色焊盘联接。利用几级总线结构将光电信号从字轮码盘上引出，使用焊接总线结构是由于无法用导线焊接方式引出太多的信号送到微控制器MCU，同时总线结构也使字轮码盘的字长可任意选择，对不同计量量值的仪表可从2～16位十进制字长间选择。
微控制器部分图中16，拟选用MOTOROLA公司的微控制器MCU，可选范围大，便于系统扩充或更新，外围芯片支持力强，封装方式灵活，软件开发方便，价格便宜，一种型号多种只读存儲器ROM类型便于系统开发定型。使用MC68HC05XXX微控制器系统芯片，封装方式由表内空间尺寸决定，不小于13MM×11MM×3MM。为了与上档机通信方便，微控制器MCU要有串行口SCI或通用串行总线USB功能并能经接插控制器HUB使系统间硬件适配。
图10是本实用新型系统的电原理图，它描述了系统的硬件构成。一支或二支发光二极管Di和四支光敏三极管Tj构成某一位字轮数字的光电读出器，按图中的排列构成一个i行j列的读出矩阵，i=n,j=4，对应所有各位字轮，由于每一时刻只有一路发光二极管Di工作，其它端口高阻，故可共用一只电阻Rd限流，每一时刻只取一只光敏三极管Tij的光电信号，其它管子只有很小的暗电流，故可同道的光敏三极管共用一个电阻Rij，字轮位数的增减不影响负载能力，只取决于微控制器并行端口的数量。这个动态扫描的矩阵本身就具有适合总线汇流的物理和逻辑结构。在上档机启动本系统工作时，由微控制器MCU控制对矩阵的元素进行遍历，则可获取全部数据。微控制器MCU采用MOTOROLA公司的MC68HCO5单片微控制器的最小系统J、K系列，已能在功能和速度上满足要求，有通用串行总线USB的JB系列适于上档机有通用串行总线USB通信功能的系统，J、K系列由于没有串行通信口SCI可用软件模拟SCI通信，视传输矩离决定是否必需增加RS--423非平衡驱动器。通用串行总线USB经接插控制器HUB可与126个各种外设通信，特别适合随机增减设备从而在未来进入全面家庭自动化的领域。
不论是串行口SCI或通用串行总线USB通信方式本实用新型都由上档数据采集系统供电启动，故通信不采用无线方式。
图11是系统工作流程图，图中变量LED=A表示发光二极管为地址码，对应的是字轮的数位，变量SENSOR=D表示光电三极管读出的是数据。BUFF表示数据缓冲区。
在管理系统需要采集计量数据时，本实用新型的上档机给系统加电，串行口SCI通信方式可向下切入稳压后的+5V电源，通用串行总线USB通信方式经由接插控制器HUB向下加载，加电复位后自动进入自检中断服务，检查系统硬件环境是否处于良好状态，如无问题可以取数，系统变量赋值。数据读出可从高位开始也可以从低位开始，只需自定义遍历方向和顺序。
每个字轮码盘有4位二进制编码，可表示十六种状态，考虑到4位全“0”或全“1”可能是干扰的概率大，编码中放弃了这两个码子，“8”、“4”、“2”、“1”这4个码子由于在码盘对应四位中只出现一个“1”代码，也容易出错且不易校验，这些码一共六个，正好是十进制的冗余码，故全不被选用，定义为非法代码，系统在驱动i发光二极管，读出该位4道光电三极管时，如果出现上述冗余码表示系统出现故障，应进行排除，系统进入故障中断子程序，如出现死循环，系统的定时器在若干周期主频时间后强迫系统跳出死循环，返回系统初始化，重新工作，如不能完成任务则在软件循环若干次后向上档机主系统申请故障中断处理。
如果系统在读出某位时，无非法代码读出，就将读位数据送入缓冲区给地址码A+1并返回i+1行逐列读出下一位的数据，当A的值大于常数也就是总的十进制位数后，系统将申请中断，在上档机响应中断后，仿真串行口SCI或按通用串行总线USB协议发送数据，在送完数据并核定无误时，申请关机，上档机在认为任务完成后，经继电部件或接插控制器HUB给系统去电关机，这个基本工作过程的实现方法在源程序和目标程序级可能有许多变化，但基本过程是由系统设计思想和硬件环境规范起来的大同小异而已。
本实用新型的特点是在上档机不取数据时本装置不加电，工作方式为间歇式。它不必过分强调可靠性，低功耗，掉电数据保护，续电工作等技术指标，它全封闭式工作，但同时仍可看见原字轮上的目视数据，有利于数据的比对，由于本实用新型自身的高可靠性及本质安全性，可将它使用在许多场所，它只在原计量仪表上增加了部分功能但并不淘汰经CMC计量认证的计量仪器仪表，此前从未见过这种类型的传感器。
本实用新型生产简单，方便廉价。框架结构，字轮码盘，4--8牙轮用注塑工艺加工，材料为不透明的高密度聚乙烯。光电板和总线板及装置板用双而印制板加工。光电器件为芯片级金丝球焊裸焊在光电板的对应位置，元件表面光透封装。板的非装焊部分涂覆聚四氟乙烯减小可能出现的磨擦力，舌形插入端面倒角，防止卡住字轮的运动。印制加工总线板并构成框架，装置板加工安装调试，软件开发，运行模拟、定型批产。
由于采用了上述的技术和实施方案，可以使各种依赖或不依赖市电或续电进行计量的仪表，在不加电时处于任意自我工作状态，系统只在被关心的时刻取走需要的数据，使汁算机的监控过程退到原计量仪表功能的最后界面，不但取消了功能上和设备上的冗余，而只改变了上档管理系统的工作模式。采用机、光、电技本使本实用新型达到了很好的性能价格比，在此方案下达到了体积小，功耗极小，与原有仪表功能机电分离，不干扰原表的运行机理和计量精度，由于采用了光电和微控制器的技术使方案得以实施。
本实用新型的实施例是基于家用水表考虑的，家用水表的体积和内部可利用空间很小，此条件下的实施能保证在电度表和燃气表中也可实施。不同的是水表要考虑防潮问题，电度表考虑抗电磁干扰问题，燃气表考虑防爆安全问题。
由于表的转换系和齿轮计数系是独立可分的，修改牙轮和字轮码盘后，在表盘面板方向插入光电插件框架，封好面板引出电缆则完成了计量仪表的改装或改型。也可以在表的生产中一体化考虑。按其结构改变牙轮和字轮的尺寸，调整插件及总线插件框的尺寸，按字轮计数器的字长调整插件及总线的位数控制在十进制2--16位之间，根据不同仪表的面板结构，插件框与微控制器MCU之间的连接总线可增加一级或软连接以改变微控制器MCU板空间装配关系。满足结构设计要求。面板应根据各种仪表的实际，在目视位置加装对可见光透明但抗红外线的密封装饰板。从字轮到微控制器MCU输出插头座整体密封，插接T型四芯电缆后胶封。
字轮码盘的光电读出如采用透射式可不用光电放大器，尽量减少插件板上的元器件，除首末位光电板外，由于微控制器MCU的扫描方向和次序任意，每块双面光电板即是本位的接收板，又是相邻位的发光板，发光元件用红外型是为了抗干扰。字轮码盘的码值与十进制数字的对应足可选择的。每个微控制器MCU可将字轮码盘的码值看做是一个地址码，该码与由微控制器MCU生成的光电扫描位地址码合成映射存贮地址，而存贮单元中读出的码是随机生成的，再以生成的随机码定义或算出唯一的字轮显示数值，这样做的结果使只是表面仿造字轮和光电读出系统可能会出现调试困难或读出乱码或系统自锁等问题。
光电插件和框架式总线与微控制器MCU之间的连接也是一个设计要点，如每位最少七条导线计算5到16位将要35至112条导线从不大于2mc的空间引出，很不好办。光电元件要求裸片装焊在插件板上，没有专业设备不可能加工出来。本设计使元件的引线在板上汇入总线，再通过几次空间变向与微控制器MCU的并行口连接。
本系统的设计基于计量仪表的计量过程和传感系统在机电结构上互相独立，只查表，不干予表的计量过程，微控制器MCU在系统需要时开机一次就完成了任务，其设计特点集中在改变工作模式和适于利用现有网络方面，由于MOTOROLA公司的技术很大部分支持通信领域，选用MC68HC05XXX系列微控制器MCU便于利用这些技术支持。
本实用新型采用串行口SCI或通用串行总线USB通信方式实现上下档机之间的连机，本机自身无供电系统，上档机在启动本系统时由继电部件或接插挖制器HUB向下供电。为能达到30米内的驱动能力，选择使用了自带电压泵的非平衡驱动器，上档机也需对应选用。
本实用新型适用于水表、电度表、燃气表等的计量管理和收费系统，它的设计使管理系统变的十分灵活，它尤其适用于不依赖于电进行计量的计量仪表中，实现计量管理和收费的自动化。
权利要求1．一种字轮码盘光电数字智能传感器，将字轮设计为码盘字轮，光电码盘分布在字轮径向平面上，分为十个等分扇区，对应十个十进制连续循环的数字，每个扇区内加工出对应字符的码值，成同轴弧型条状，在每位字轮之间插入光电插件板，字轮码盘为机械驱动齿轮4--8牙轮同步进位并保证在每位间插入光电板时不增加接触或磨擦使拉开间隔的字轮间正常啮合，光电转换部分为一个光电总线为核心的插件框架总成，放置在字轮光电板和字轮码盘垂直的位置，插件前端敏感区部位定位在字轮码盘对应位之间的予留位置，对准对应的码盘编码，光电插件以总线方式与微控制器MCU电气连接，微控制器MCU智能化地逐位读出每位的字轮码值，并进行代码变换运算、数据处理、通信等操作，微控制器MCU为具有串行通信口SCI或通用串行总线USB及接插控制器HUB的系列产品。
2．根据权利要求1所述传感器，其特征是字轮为透、反射式光电码盘，为保证与光电转换插件之间，没有接触，字轮之间留有光电插件的位置，保证同步进位时齿轮可靠啮合。
3．根据权利要求1所述的传感器，其特征是光电插件板上的光电器件为裸片焊装，插件两面都有元件，一面为红外发光二极管，一面为光敏三极管，每位的发光二极管元件面可使用一支或两支发光二极管串联，由二极管发光散射角，间矩，码盘光孔诸因素决定。
4．根据权利要求1所述传感器，其特征是框架式总线电气连接结构，机械结构尺寸取决于字轮计数器字轮的直径、字轮宽度和字轮位数，字轮码盘的位数2至16位。
5．根据权利要求1所述传感器，其特征是微控制器MCU安装在插件框总线汇接的衬板或装置板上，与上档机之间使用串行方式通信，符合串行通信SCI、通用串行总线USB通信协议。
6．根据权利要求1所述传感器，其特征是插件框架放置光电插件板于每位字轮的侧面，同时保证能看见字轮显示的计量数值。
专利摘要字轮码盘光电数字智能传感是一种能读出计量仪表字轮计数器显示数据的装置，它将字轮设计成光电字轮码盘，并构造框架式光电总线插件组合结构，利用总线方式从码盘扇区内将对应的数字信号读出，在微控制器的控制下对字轮码盘进行逐位扫描和字符转换，它适用于水表、燃气表、电度表等计量仪表中，尤其适用于不依赖电实施计量的仪表，它将在线实时监控工作方式变为脱机随机数据交换工作方式，并能充分利用现有技术构成计量收费管理系统。
文档编号G01D5/00GK2336328SQ98203808
公开日1999年9月1日 申请日期1998年4月21日 优先权日1998年4月21日
发明者赵向荣, 李岩 申请人:赵向荣, 李岩